人類在金屬焊接上有什麼騷操作？來了解下攪拌摩擦焊~

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出品| 網易新聞

作者| 鴻鵠，科技愛好者

　　金屬中，由於質量較輕，鋁和鎂常常被用於航天航空器的結構中。然而，這些輕質金屬的合金可焊接性極差，用普通的熔焊工藝進行焊接，很容易出現熱裂紋、氣孔和夾渣等缺陷。縱使高超的技術和工藝可以降低焊接缺陷產生的概率，但熔焊時高溫帶來的熱量和毒煙，對操作者的健康也會是巨大的威脅。

　　那麼，有沒有一種焊接技術，可以從根本上解決這些問題呢？當然有，這就是我們今天要談的攪拌摩擦焊。

（一）攪拌摩擦焊是什麼？

　　說起焊接，首先讓人想起的大多是高溫、火花四濺、保護頭盔，還有保護氣體等等。焊接作為一種常見的工件連接技術，能夠將兩種或兩種以上同種或異種材料通過原子或分子之間的結合和擴散連接成一體。

　　目前，焊接技術已然演變為一門集材料學、工程力學、自動控制技術的交叉性學科。雖然焊接方法仍然以熔焊、壓焊、釺焊三種為基礎，但其下衍生出了幾十種不同的焊接技術，其中包括了生活中應用最廣的手弧焊、先進的激光焊和摩擦焊等。

　　與常規摩擦焊類似，攪拌摩擦焊也是利用摩擦熱與塑性變形熱作為焊接熱源。

　　常規摩擦焊焊接過程中材料在壓力作用下相互摩擦（工件做迴轉、線性等形式的相對運動，摩擦產生熱量），摩擦熱使得焊接的接觸端面上很快形成熱塑性層，接觸面及附近區域溫度上升，在頂鍛壓力的作用下，界面處的材料產生塑性變形及流動，最終形成了質量良好的焊接接頭。

　　而攪拌摩擦焊在焊接過程中，被焊接工件之間不做相對運動，摩擦熱是由攪拌針伸入工件的接縫處通過焊接工具的焊頭做高速旋轉運動，使其與焊接工件材料產生摩擦。

　　焊接過程中，攪拌針高速旋轉並在壓力作用下插入材料內部進行攪拌摩擦生熱，同時焊頭的肩部與工件表面摩擦生熱，焊頭邊高速旋轉邊沿工件的接縫方向與工件發生相對移動，於是焊頭前面的材料發生強烈塑性變形，隨著焊頭沿著焊縫走向移動，高度塑性變形的材料不斷被攪拌針攪拌到背後，在主軸離開後，熱塑性狀態的材料冷卻固化，從而形成一條攪拌摩擦焊的焊縫。

　　攪拌摩擦焊的技術原理並不複雜，需要控制的參數也不多，不過這並不代表攪拌摩擦焊設備沒有技術難度，實際上，焊接設備及夾具的剛性對攪拌摩擦焊是極端重要的，對大型工件的焊接而言尤甚。

　　摩擦焊技術焊接質量穩定、焊件尺寸精度高、焊接生產率高、適於焊接異種金屬、易實現機械化和自動化，而攪拌摩擦焊具備常規摩擦焊的全部優點，並且適用面更廣，可以進行多種接頭形式和不同焊接位置的連接。

　　攪拌摩擦焊基本上可以焊接所有傳統的熔焊能夠焊接的金屬，並且對於許多熔化焊接性能差的金屬，例如：鋁合金、鈦合金、銅合金等，也能實現高質量的焊接，工業應用前景和發展潛力廣泛。

（二）攪拌摩擦焊有什麼用？

　　攪拌摩擦焊作為一種新型焊接方法，出現的時間相對較晚（1991年英國焊接研究所發明），卻神奇地在十多年的時間內成功完成了從發明到工業化應用的歷程，在航天、航空、車輛、造船等行業得到大量應用。

　　以航空航天應用為例，文章開頭我們已經提到，輕質金屬的合金可焊性極差，且焊接過程中會產生大量熱和毒煙，這給航空航天器件的品質以及焊接操作人員的身體健康帶來巨大威脅，而攪拌摩擦焊可以很好地解決這些問題。

　　攪拌摩擦焊的焊接溫度較低，焊接過程中材料只是被加熱軟化為熱塑性狀態而不是熔化，所以也就避免了被焊接材料因熔化導致的熱裂紋、氣孔和夾渣等傳統熔焊問題。

　　同時，焊接過程中無填充焊接材料參與，焊接變形也就得到了緩解。

　　而且，焊接過程中不產生高溫，也就沒有有毒氣體，更不會像其他焊接方法那樣有焊接煙塵和飛濺，對操作者的身體健康和焊接工作環境而言，都比傳統熔焊要友好。

　　除此之外，前面我們提到了，攪拌摩擦焊的原理相對簡單，需要控制的參數也少，整個過程的本質是機械能到焊接所需熱能的轉化，所以完全可以用公式將攪拌摩擦焊的過程定量化，從而準確計算出焊接熱及其引發的工件熱變形等參數，幾乎不用依靠操作者經驗就可以做出焊接前後的補償和校正。

　　由於避免了人為因素的影響，攪拌摩擦焊所獲得的焊接件可靠性是任何傳統焊接工藝都無法匹及的。而且，攪拌摩擦焊技術能夠提高生產效率，降低生產成本，進一步提升航空航天工業的經濟效益空間。

　　從1991年誕生開始，該技術就被美國和歐洲的航空巨頭引進，並且率先用於航空航天運載工具的焊接上。更有甚者，美國一家飛機製造公司直接投資3億美元用於全攪拌摩擦焊飛機的開發和研製，用攪拌摩擦焊全面替代鉚釘連接結構。

　　現今凡是應用中涉及鋁、鎂等輕合金結構的連接，攪拌摩擦焊基本上成為了優選或必選方案，其應用部位也從早先的從非承力、次承力結構慢慢拓展到了關鍵承力結構的應用上。

（三）中國的攪拌摩擦焊發展得怎麼樣？

　　攪拌摩擦焊在國外的規模化、工業化應用普及較早，上世紀九十年代就有諸多製造領域的實際應用範例。

　　中國的攪拌摩擦焊技術研究和工程化應用開始於1996年，其後在2002年4月，北京航空製造研究所從英國焊接研究所獲得了正式的專利許可，攪拌摩擦焊正式登陸中國。

　　而後，中國自主研發的第一台攪拌摩擦焊設備成功應用於東風導彈、火箭貯箱等多個國家重點型號的生產製造中，設備技術指標達到了國際先進水平，工作台尺寸1500mm×920mm，最大焊接厚度15mm，主軸的轉速（100r/min-3000r/min），主軸進給速度（0-1300mm/min）。

　　在眾多單位的努力下，攪拌摩擦焊相關的技術、工藝、設備等發展迅速，應用範圍包括了航空、航天、船舶、列車、電子電力等多個領域。而在技術前瞻性方面，中國也開展了鈦合金攪拌摩擦焊設備與工藝等基礎性的預先研究，機器人攪拌摩擦焊系統也開始得到應用。

　　迄今為止，中國已經發展了多種懸臂式和龍門式攪拌摩擦焊設備，此外，在被稱為攪拌摩擦焊心臟的攪拌針的製造方面，中國也實現了家族化和系列化。

　　隨著中國航空航天製造事業的蓬勃發展，攪拌摩擦焊技術有了更廣闊的用武之地，攪拌摩擦焊也為新能源汽車製造、高鐵列車車身的製造等新製造領域提供了動力。

　　而更為可貴的是，中國的攪拌摩擦焊技術也從當年的技術進口國轉變為了技術出口國，新型焊接技術有效地解決了友邦經費短缺和西方制裁的燃眉之急。

結語

　　攪拌摩擦焊的發明使得鎂、鋁基輕合金的連接有了革命性的變化，其推廣應用也給中國的工業製造提供了巨大的推動力。展望未來，攪拌摩擦焊技術將和諸多先進位造技術一道為中國發展成為工業強國貢獻自己的力量。

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編輯| 史文慧